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宽带论文
河南理工大学
课程论文
无
线
宽
带
通
信
学生姓名
学号
专业班级通信工程09级4班
指导教师
2012年11月3日
超宽带无线通信
【摘要】
过去二十年,无线技术在通信发展进程中一直扮演着重要角色。
伴随着移动通信十几年来的蓬勃发展以及3G、B3G等概念的日益普及,无线家族中的另一成员——宽带无线接入技术近年来异军突起。
而随着无线通信技术的发展,人们对高速短距离无线通信的要求越来越高。
超宽带(UWB)技术的出现,实现了短距离内超带宽、高速的数据传输。
其调制方式和多址技术的特点使得它具有其他无线通信技术所无法具有的很宽的带宽、高速的数据传输、功耗低、安全性能高等特点。
本文介绍了UWB的原理,基本理论,主要技术特点,部分关键技术及其应用和未来的发展情况,旨在对超宽带无线通信技术做一个初步的探索和研究。
Inthepasttwentyyears,wirelesstechnologyincommunication,inthecourseofdevelopment,hasalwaysbeenplayinganimportantrole.Withthemobilecommunicationformorethanadecadeofboomingdevelopmentand3G,B3Gconceptssuchastheincreasingpopularityofthewirelessinthefamily,anothermember--broadbandwirelessaccesstechnologyinrecentyearsasanewforce.Butalongwiththedevelopmentofwirelesscommunicationtechnology,peopleonthehigh-speedshort-rangewirelesscommunicationandtallertotherequirementof.Ultra-wideband(UWB)techniqueappears,toachievetheshortdistancesbandwidth,highspeedofthedatatransmission.Themodulationmodeandmultipleaddressthecharacteristicsofthetechnologytomakeitareotherwirelesscommunicationtechnologycanhavewidebandwidthandhighspeeddatatransfer,lowpowerconsumption,safetyperformanceishighercharacteristic.Thispaperintroducestheprincipleofthebasictheory,UWB,maintechnicalcharacteristics,somekeytechnologyanditsapplicationandthedevelopmentofthefuture,forthepurposeofthebroadbandwirelesscommunicationtechnologytodoapreliminaryexplorationandresearch.
【关键词】
超宽带无线通信超宽带(UWB)技术调制方式多址方式
Thebroadbandwirelesscommunicationultra-wideband(UWB)technologymodulationmodemulti-accessway
一、超宽带无线通信简介
1、超宽带无线通信概念
无线通信技术是当前发展最迅速、最具活力的技术领域之一,在这个领域中,各种新技术、新方法层出不穷。
其中,超宽带(UltraWideBand,UWB)技术是在20世纪90年代以后发展起来的一种具有巨大发展潜力的新型无线通信技术,被列为未来通信的十大技术之一。
2、超宽带无线通信分类
超宽带无线通信按照实现方式大致可分为两类:
脉冲无线电和多频带OFDM。
2.1、脉冲无线电
脉冲无线电是指采用冲激脉冲(超短脉冲)作为信息载体的无线电技术。
这种脉冲传输技术的特点是通过对非常窄(往往小于1ns)的脉冲信号进行调制,以获得非常宽的带宽来传输数据。
它采用高斯函数的各阶导数发射脉冲波形,调制方式一般采用二进制的脉冲相位调制(PPM)或二进制相移键控(BPSK),在多址接入方式上,有跳时扩频(TH-SS)和直接序列扩频(DS-SS)两种方式可选。
2.2、多频带OFDM
多频带OFDM是将可用的UWB频谱划分为若干个子带,每个子带的宽度不小于500MHZ。
通信时,可以根据信息速率、系统功耗的要求以及与其他系统共存的要求等,动态的使用部分或全部的子带,通过同时发送多个不同频带的UWB信号来提高频谱的利用率。
这些UWB信号是不会相互干扰的,因为它们的频率不同。
3、超宽带无线通信特点
3.1、系统结构实现简单,实现成本低
由于UWB不使用载波,不需要传统收发器所需的上、下变频,也不需要本地振荡器、功率放大器和混频器等,因此在结构上,系统实现较为简单;另外,UWB系统可全数字化实现,它只需要以一种数学方式产生脉冲,并对其进行调制,所以调制电路可以全部集成在一块芯片上,可大大降低设备的造价。
3.2、隐蔽性好
由于UWB信号采用了跳时扩频,其射频带宽可以达到1GHz以上,它的发射功率频谱密度很低,信号隐蔽在环境噪声和其他信号之中,用传统的接收机无法接收和识别,必须采用与发端一致的扩频码脉冲序列才能进行解调,因此增加了系统的安全性。
这就是超宽带无线通信最突出的特点。
3.3、多径分辨能力强
由于常规无线通信的射频信号太多为连续信号或其持续时间远大于多径传播时间,多径传播效应限制了通信质量和数据传输速率。
超宽带无线通信采用持续时间极短的窄脉冲,其占空比极低,在接收端,多径信号在时间上可以做到有效分离。
因此系统的多径分辨率极高,接收机通过分集可以获得很强的抗衰落恩能力,如果多径脉冲要在时间上发生交叠,其多径传输路径长度应小于脉冲宽度与传播速度的乘积。
由于脉冲很窄,这种多径距离是很小的。
可见,发射窄脉冲的超宽带无线信号,在多径环境中的衰落并不像连续信号那样严重。
大量的实验表明,对常规无线电信号多径衰落深达10db~30db,的多径环境,对超宽带无线电信号的衰落最多不到5db。
3.4、传输速率高
数字化、综合化、宽带化、智能化和个人化是通信发展的主要趋势。
确保提供高质量多媒体业务的无线网络,其信息速率不能低于50Mbit/s。
从信号传播的角度考虑,超宽带无线通信由于能有效地减小多径传播的影响而使之可传输高速率数据。
UWB系统使用上吉赫兹的超宽频带,所以即使把发送信号功率谱密度控制的很低,也可以实现高达100~500Mbit/s的信息速率。
3.5、系统容量大
超宽带无线通信的高带宽带来了极大的系统容量,由于UWB无线电信号发射的冲激脉冲占空比极低,系统有很高的增益和很强的多径分辨力,所以系统容量比其他的无线技术都高。
3.6、穿透能力强
实验系统证明,超宽带无线通信具有很强的穿透树叶和障碍物的能力,有希望填补常规短波信号在丛林中不能有效传播的空白。
实验表明,适用于窄带系统的丛林通信模型,同样可适用于超宽带系统;超宽带技术还能实现隔墙成像等。
3.7、功耗低
利用扩频多址技术,系统有较大的扩频处理增益,UWB设备可以使用小于1mW的发射功率。
这样就大大延长了系统电源的工作时间,满足移动通信设备的电源要求,而且低辐射功率可以减少电磁波对人体的辐射,超宽带无线通信的系统功耗也相当低,50~70mV就足以满足它的工作要求,功耗还不到当前各种无线传输技术的1%。
UWB由于只在需要时发送脉冲电波,且传输时的耗电量仅有几十毫瓦,所以超宽带无线通信技术就很容易应用在各种移动设备中,比如便携电脑、掌上电脑和平板PC中,所增加的功耗几乎可以忽略不计。
3.8、抗干扰能力强
超宽带无线通信系统采用了跳时扩频信号,系统具有较大的处理增益,对干扰信号具有抑制特性。
它作为一种扩频通信,在发射时将传输的信号能量扩展到很宽的发射频谱中去,在接收时将信号能量还原出来,在解扩过程中会产生处理增益。
在常用的直接序列扩频系统中,采用了高速率的伪随机码序列和低速率的信息数据进行相关运算来实现扩频,扩频后的频谱一般为几十兆赫兹。
而超宽带通信系统是利用窄脉冲信号本身的频谱特性进行扩频,,扩展后的频谱是一般扩频系统的一百多倍,因此,在同等码速的情况下,超宽带通信系统比一般扩频系统的扩频增益大20dB,具有更强的抗干扰特性。
二、超宽带(UWB)技术
2.1、超宽带技术概念
超宽带(UWB)技术是无线通信领域的一项新技术,始于20世纪60年代兴起的脉冲通信技术,利用频谱极宽的超短脉冲进行通信,又称为基带通信、无载波通信,主要用于军用雷达、定位和通信系统中。
2002年2月,美国联邦通信委员会(FCC)批准了UWB技术用于民用;随后,日本于2006年8月开放了超宽带频段。
由于UWB技术具有传输速率高(达1Gbit/s)、抗多径能力强、功耗低、成本低、穿透能力强、低截获概率、与现有其他无线通信系统共享频谱等特点,现在已经成为无线个人域网(WPAN)的首选技术。
UWB技术与下列名词是同义的:
极短脉冲、无载波、时域、非正弦、正交函数和大相对带宽无线/雷达信号。
到1989年才以“超宽带(UWB)”统一称呼具有大相对带宽比的无线电信号。
超宽带无线电是指具有很高带宽比(射频带宽与其中心频率之比)的无线电技术。
目前研究的UWB实质上是以占空比很低(低达0.5%)的冲击脉冲作为信息载体的无载波扩谱技术。
它是通过对具有很陡上升和下降时间的冲击脉冲进行直接调制。
典型的UWB直接发射冲击脉冲串,不再具有传统的中频和射频的概念,此时发射的信号可看成基带信号(依常规无线电而言),也可看成射频信号(从发射信号的频谱分量考虑)。
冲击脉冲通常采用单周期高斯脉冲,一个信息比特可映射为数百个这样的脉冲。
单周期脉冲的宽度在ns级,具有很宽的频谱。
UWB开发了一个具有GHz容量和最高空间容量的新无线信道。
2.2、UWB主要指标
频率范围:
3.1-10.6GHz;
系统功耗:
1-4mW;
脉冲宽度:
0.2-1.5ns,重复周期:
25ns-1ms;
发射功率:
小于-41.3dBm/MHz;
数据速率:
几十到几百Mbit/s;
分解多路径时延:
小于等于1ns;
多径衰落:
小于等于5dB;
系统容量:
大大高于3G系统;
空间容量:
1000kB/m。
2.3、UWB技术的基本原理
UWB技术最基本的原理是发送和接收脉冲间隔严格受控的高斯单周期超短时脉冲,超短时单周期脉冲决定了信号的带宽很宽,接收机直接用一级前端交叉相关器就把脉冲序列转换成基带信号,省去了传统通信设备中的中频级,极大地降低了设备复杂性。
三、超宽带无线通信中的关键技术
3.1、脉冲信号的产生
从本质上讲,产生脉冲宽度为纳秒级的信号源是UWB技术的前提条件,单个无载波窄脉冲信号有两个特点:
一是激励信号的波形为具有陡峭前后沿的单个短脉冲,二是激励信号包括从直流到微波的很宽的频谱。
目前产生脉冲源的两类方法为:
(1)光电方法,基本原理是利用光导开关的陡峭上升/下降沿获得脉冲信号。
由激光脉冲信号激发得到的脉冲宽度可达到皮秒量级,是最有发展前景的一种方法。
(2)电子方法,基本原理是利用晶体管PN结反向加电,在雪崩状态的导通瞬间获得陡峭上升沿,整形后获得极短脉冲,是目前应用最广泛的方案。
受晶体管耐压特性的限制,这种方法一般只能产生几十伏到上百伏的脉冲,脉冲的宽度可以达到1ns以下,实际通信中使用一长串的超短脉冲。
3.2、UWB的调制及多址方式
3.2.1、调制方式
UWB的传输功率受传输信号的功率谱密度限制,因而在两个方面影响调制方式的选择:
一是对于每比特能量调制需要提供最佳的误码性能;二是调制方案的选择影响了信号功率谱密度的结构,因此有可能把一些额外的限制加在传输功率上。
在UWB中,信息是调制在脉冲上传递的,既可以用单个脉冲传递不同的信息,也可以使用多个脉冲传递相同的信息。
(1)单脉冲调制
对于单个脉冲,脉冲的幅度、位置和极性变化都可以用于传递信息。
适用于UWB的主要单脉冲调制技术包括:
脉冲幅度调制(PAM)、脉冲位置调制(PPM)、通断键控(OOK)、二相调制(BPM)和跳时/直扩二进制相移键控调制TH/DS-BPSK等。
PAM是通过改变脉冲幅度的大小来传递信息的一种脉冲调制技术。
PAM既可以改变脉冲幅度的极性,也可以仅改变脉冲幅度的绝对值大小。
通常所讲的PAM只改变脉冲幅度的绝对值。
BPM和OOK是PAM的两种简化形式。
BPM通过改变脉冲的正负极性来调制二元信息,所有脉冲幅度的绝对值相同。
OOK通过脉冲的有无来传递信息。
在PAM、BPM和OOK调制中,发射脉冲的时间间隔是固定不变的。
实际上,我们也可以通过改变发射脉冲的时间间隔或发射脉冲相对于基准时间的位置来传递信息,这就是PPM的基本原理。
在PPM中,脉冲的极性和幅度都不改变。
PAM、OOK和PPM共同的优点是可以通过非相干检测恢复信息。
PAM和PPM还可以通过多个幅度调制或多个位置调制提高信息传输速率。
然而,PAM、OOK和PPM都有一个共同的缺点:
经过这些方式调制的脉冲信号将出现线谱。
线谱不仅会使UWB脉冲系统的信号难以满足一定的频谱要求(例如FCC关于UWB信号频谱的规定),而且还会降低功率的利用率。
就上述5种调制方式而言,综合考虑可靠性、有效性和多址性能等因素,目前广泛受关注的是后两种调制方式:
TH-PPM和TH/DS-BPSK。
两者的区别在于当采用匹配滤波器的单用户检测情况下,TH/DS-BPSK的性能要优于TH-PPM。
而对TH/DS-BPSK而言,在速率较高时,应优先选择DS-BPSK方式;速率较低时,由于TH-BPSK受远近效应的影响较小,应选择TH-BPSK方式。
在采用最小均方误差(MMSE)检测方式的多用户接收机应用情况时,两者差别不大;但在速率较高时,TH/DS-BPSK的性能还是要优于TH-PPM系统。
而BPM则可以避免线谱现象,并且是功率效率最高的脉冲调制技术。
对于功率谱密度受约束和功率受限的UWB脉冲无线系统,为了获得更好的通信质量或更高的通信容量,BPM是一种比较理想的脉冲调制技术。
(2)多脉冲调制
实际上,为了降低单个脉冲的幅度或提高抗干扰性能,在UWB脉冲无线系统中,往往采用多个脉冲传递相同的信息,这就是多脉冲调制的基本思想。
当采用多脉冲调制时,把传输相同信息的多个脉冲称为一组脉冲,那么,多脉冲调制过程可以分两步:
第一步为每组脉冲内部单个脉冲的调制;第二步为每组脉冲作为整体被调制。
在第一步中,每组脉冲内部的单个脉冲通常采用PPM或BPM调制;在第二步中,每组脉冲作为整体通常可以采用PAM、PPM或BPM调制。
一般把第一步称为扩谱,而把第二步称为信息调制。
因而在第一步中,把PPM称为跳时扩谱(TH-SS),即每组脉冲内部的每一个脉冲具有相同的幅度和极性,但具有不同的时间位置;把BPM称为直接序列扩谱(DS-SS),即每组脉冲内部的每一个脉冲具有固定的时间间隔和相同的幅度,但具有不同的极性。
在第二步中,根据需要传输的信息比特,PAM同时改变每组脉冲的幅度,PPM同时调节每组脉冲的时间位置,BPM同时改变每组脉冲的极性。
这样,把第一步和第二步组合起来不难得到以下多脉冲调制技术:
TH-SSPPM、DS-SSPPM、TH-SSPAM、DS-SSPAM、TH-SSBPM和DS-SSBPM等。
多脉冲调制不仅可以通过提高脉冲重复频率来降低单个脉冲的幅度或发射功率,更重要的是,多脉冲调制可以利用不同用户使用的SS序列之间的正交性或准正交性实现多用户干扰抑制,也可以利用SS序列的伪随机性实现窄带干扰抑制。
在多脉冲调制中,利用不同SS序列之间的正交性,还可以通过同时传输多路多脉冲调制的信号来提高系统的通信速率,这样的技术通常被称为码分复用(CDMA)技术。
在2004年的国际信号处理会议上提出了一种特殊的CDM系统——无载波的正交频分复用系统(CL-UWB/OFDM)。
这种多脉冲调制技术可以有效地抑制多路数据之间的干扰和窄带干扰。
3.2.2、多址方式
在UWB系统中,多址接入方式与调制方式有密切联系。
当系统采用PPM调制方式时,多址接入方式多采用跳时多址;若系统采用BPSK方式,多址接入方式通常有两种:
直序方式和跳时方式。
基于上述两种基本的多址方式,许多其他多址方式陆续被提出,主要包括以下几种:
(1)伪混沌跳时多址方式(PCTH)
PCTH根据调制的数据,产生非周期的混沌编码,用它替代TH-PPM中的伪随机序列和调制的数据,控制短脉冲的发送时刻,使信号的频谱发生变化。
PCTH调制不仅能减少对现有的无线通信系统的影响,而且更不易被检测到。
(2)DS-BPSK/TH混合多址方式
此方式在跳时(TH)的基础之上,通过直接序列扩频码进一步减少多址干扰,其多址性能优于TH-PPM,与DS-BPSK相当,但在实现同步和抗远近效应方面,具有一定的优势。
(3)DS-BPSK/FixedTH混合多址方式
此方式的特点是:
打破TH-PPM多址方式中采用随机跳时码的常规思路,利用具有特殊结构的固定跳时码,减少不同用户脉冲信号的碰撞概率。
即使有碰撞发生时,利用直接序列扩频的伪随机码的特性,也可以进一步削弱多址干扰。
此外,由于UWB脉冲信号具有极低的占空比,其频谱能够达到GHz的数量级,因而UWB在时域中具有其他调制方式所不具有的特性。
当多个用户的UWB信号被设计成不同的具有正交波形时,根据多个UWB用户时域发送波形的正交性,以区分用户,实现多址,这被称之为波分多址技术。
3.3、天线的设计
能够有效辐射时域短脉冲的天线是UWB研究的另一个重要方面。
UWB天线应该达到以下要求:
一是输入阻抗具有UWB特性;二是相位中心具有超宽频带不变特性。
即要求天线的输入阻抗和相位中心在脉冲能量分布的主要频带上保持一致,以保证信号的有效发射和接收。
对于时域短脉冲辐射技术,早期采用双锥天线、V-锥天线、扇形偶极子天线,这几种天线存在馈电难、辐射效率低、收发耦合强、无法测量时域目标的特性,只能用作单收发用途。
随着微波集成电路的发展,研制出了UWB平面槽天线,它的特点是能产生对称波束、可平衡UWB馈电、具有UWB特性。
由于利用光刻技术,可以制成毫米、亚毫米波段的集成天线。
3.4、收发机的设计
与传统的无线收发信机结构相比,UWB收发信机的结构相当简单,如图2所示。
传统的无线收发信机大多采用超外差式结构;UWB收发信机采用零差结构,在接收端,天线收集的信号经放大后通过匹配滤波或相关接收机处理,再经高增益门限电路恢复原来信息。
现代数字无线技术常采用数字信号处理芯片(DSP)的软件无线电来产生不同的调制方式,这些系统可逐步降低信息速率以在更大的范围内连接用户。
UWB的一大优点是,即使最简单的收发信机也可采用这一数字技术。
四、超宽带技术的研究现状和面临的问题
4.1、超宽带技术的研究现状
超宽带无线技术起源于20世纪60年代对时域电磁学的研究,最初主要应用于军用雷达高精度测距、测角和隐秘通信。
20世纪90年代以来,随着现代信号处理技术和集成电路的迅猛发展,UWB技术开始在商业民用领域有了广泛的应用,国际上掀起了对其研究、开发和应用的热潮。
2002年4月,美国联邦通信委员会(FederalCommunicationsCommission,FCC)发布了UWB设备的初步规范,并重新对UWB做了定义,通过了超宽带技术在限制功率辐射条件下的商用许可,超宽带通信划定的频谱范围为3.1-10.6GHz,这是超宽带技术发展史上的一个里程碑。
美国Intel公司在2002年2月召开的开发商会议上公开演示了传输速率高达100Mbit/s的UWB技术。
美国TimeDomain、Multispectral等公司也在进行UWB无线设备的开发和生产,并且已经达到了即将开始提供UWB芯片组工业样品的阶段。
尤其值得注意的是,新加坡的Cellonics公司创造了一种建立在生物细胞和非线性动态系统(NDS)之上的调制技术,而这种新技术非常适合UWB技术,在UWB中,Cellonics技术可用于改善UWB接收器设计中现行的相关器/非相关器方案。
在2002年的汉诺威CeBIT展会上,Cellonics公司展示了一种以11.4Mbit/s的速率在5m的距离上传输CD质量音乐、功耗为50mW的无线UWB音频设备,其简单性令人惊讶。
可以预料,Cellonics技术简单、廉价和低功耗的特点以及电信级的性能将加速UWB应用的推广。
超宽带无线通信的应用大体上可分为两类,一类为短距高速传输;另一类是中长距(几十米以上)低速率应用。
就对应的标准而言,高速率应用对应于IEEE802.15.3a,低速率应用对应于IEEE802.15.4a。
FCC规定的发布产生了双重影响:
一方面,FCC关于UWB的辐射规定,提高了主要芯片的生产厂商(如TI,Motorola,IBM和Intel等)的兴趣;而另一方面,引发了围绕脉冲无线电(ImpulseRadio,IR)方式与传统的基于连续载波传输技术的优势问题的争论。
到目前为止,对基于UWB物理层提出了两种仍在考虑中的提案:
一种是将调频正交频分复用(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing,OFDM)结合起来的MB-UWB方案,另一种是保存了UWB窄脉冲属性的直接序列超宽带(DirectSequence-UWB,DS-UWB)方案。
除美国之外,特别是欧洲电信标准机构(EuropeanTelecommunicationsStandardsInstitude,ETSI)的TG31A组织正在进行短距离的UWB标准化活动。
从此对UWB的研究日益深入。
我国也非常重视UWB技术的研究工作,2002年开始跟踪UWB技术,2003年开始积极参与ITU-R相关研究组的会议,2004年以来进行了UWB产品的调研与分析,并邀请了国内外研究机构和产品供应商开展技术交流,有关部门还进行了UWB技术干扰仿真分析的研究,从2006年开始与产品供应商进行电磁兼容测试。
我国的一些高校、科研机构和通信技术企业在这一领域取得了很多研究成果,获得了诸多专利,主要包括:
获得了不同UWB技术实现方式的辐射特性;完成了UWB与部分公众无线通信系统的电磁兼容分析与实验;为UWB技术的频谱规划提供了技术支撑;根据研究结果制定了UWB管理模式和要求。
4.2、UWB室内信道模型的发展及现状
(1)超宽带无线通信系统中信道建模的研究现状
国外大学、公司和可研究机构为了分析超宽带信号在室内环境的传播特性进行了广泛的实际测量实验,以研究超宽带脉冲信号的传播特性,并建立了相应的统计信道模型。
可以说基于信道实测数据建立超宽带无线信道统计模型,是当前超宽带室内无线信道研究的主流。
现在已经公开发表的超宽带室内无线信道测量环境包括办公室、实验
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